Les scientifiques ont cherché des moyens de développer des matériaux aussi dynamiques que les êtres vivants, avec la possibilité de changer de forme, déplacer et modifier les propriétés de manière réversible.

Maintenant, avec la nature comme inspiration, Les scientifiques de la Northwestern University ont développé des matériaux souples qui s'auto-assemblent de manière autonome en superstructures moléculaires et se désassemblent remarquablement à la demande, changer les propriétés des matériaux et ouvrir la porte à de nouveaux matériaux dans des applications allant des capteurs et de la robotique aux nouveaux systèmes et outils d'administration de médicaments pour la régénération tissulaire.

Les nouveaux matériaux hautement dynamiques forment des hydrogels et ont également fourni des indices biologiques inattendus sur le micro-environnement cérébral après une blessure ou une maladie lorsque leurs superstructures ont révélé des phénotypes réversibles dans les cellules cérébrales caractéristiques du tissu cérébral blessé ou sain.

« Nous sommes habitués à considérer les matériaux comme ayant un ensemble statique de propriétés, " dit Samuel I. Stupp, co-auteur de l'article. "Nous avons démontré que nous pouvons créer des matériaux synthétiques hautement dynamiques qui peuvent se transformer en formant des superstructures et peuvent le faire de manière réversible à la demande, ce qui est une véritable percée avec des implications profondes."

Les résultats sont publiés aujourd'hui (4 octobre) dans la revue Science . Stupp est directeur du Simpson Querrey Institute de Northwestern et est professeur au conseil d'administration de la science et de l'ingénierie des matériaux, Chimie, Médecine et génie biomédical. Erik Luijten, Professeur et Chaire de Science et Génie des Matériaux et Sciences de l'Ingénieur et Mathématiques Appliquées, est co-auteur.

Pour créer le matériel, Stupp et son stagiaire postdoctoral Ronit Freeman, maintenant professeur agrégé à l'Université de Caroline du Nord, Colline de la Chapelle, développé des molécules composées de peptides (composés d'acides aminés) et d'autres composées de peptides et d'ADN. Lorsqu'ils sont placés ensemble, ces deux types de molécules se sont co-assemblées pour former des filaments nanométriques hydrosolubles.

Lorsque des filaments contenant des séquences d'ADN complémentaires pouvant former des doubles hélices ont été mélangés, les molécules contenant de l'ADN conçues pour créer des doubles hélices « ont sauté » de leurs filaments pour organiser les superstructures complexes uniques, laissant derrière eux les molécules sans ADN pour former de simples filaments.

Les superstructures de l'ADN, contenant des millions de molécules, ressemblait à des faisceaux de filaments torsadés qui atteignaient des dimensions de l'ordre du micron en longueur et en largeur. Le matériau résultant était initialement un hydrogel mou, qui est devenu mécaniquement plus rigide au fur et à mesure que les superstructures se formaient. Les structures étaient hiérarchiques, c'est-à-dire qu'elles contenaient des structures ordonnées à différentes échelles de taille. La nature le fait très bien - os, le muscle et le bois sont des matériaux hiérarchiques, mais de telles structures ont été très difficiles à réaliser dans les matériaux synthétiques.

Encore mieux, les chercheurs ont découvert que lorsqu'ils ont ajouté une simple molécule d'ADN qui pourrait perturber les doubles hélices interconnectant les filaments dans les superstructures, les paquets se sont défaits, et le matériau est revenu à sa structure initiale simple et à son état plus doux. Un autre type de molécule pourrait alors être utilisé pour reformer les matériaux plus rigides contenant des superstructures. Ce genre de réversibilité n'avait jamais été atteint auparavant.

Pour mieux comprendre le fonctionnement de ce processus, Stupp connecté avec Luijten, un scientifique des matériaux informatiques. Luijten, avec son étudiant diplômé Ming Han, développé des simulations qui ont aidé à expliquer la mécanique derrière comment et pourquoi les faisceaux se sont formés et tordus. Dans de telles simulations, Han et Luijten pourraient examiner comment chaque partie des molécules conçues pourrait régir la création des superstructures. Après des calculs approfondis (chaque calcul prenait des semaines sur le superordinateur Quest de Northwestern), ils ont découvert que les molécules n'avaient pas besoin d'ADN pour se regrouper mais pouvaient en principe être formées par de nombreuses autres paires de molécules avec des structures chimiques qui interagissent fortement les unes avec les autres.

« Sur la base de notre compréhension du mécanisme, nous avons prédit que seules des charges positives et négatives à la surface des filaments seraient suffisantes, " a déclaré Luijten. Cela signifiait que de telles superstructures pouvaient être créées sans la présence d'ADN, dans une matière entièrement synthétique.

Stupp et les membres de son laboratoire ont ensuite créé le même matériau en utilisant uniquement des peptides au lieu d'ADN. Lorsque les chercheurs ont utilisé des peptides avec des charges opposées dans une architecture spécifique qui imite la complémentarité de l'ADN, ils ont découvert qu'ils s'auto-assemblaient en superstructures qui étaient également réversibles lorsque les charges étaient neutralisées.

Les utilisations potentielles de ces matériaux s'étendent à la médecine et au-delà. Une thérapie complexe avec des protéines, anticorps, les médicaments, même les gènes, pourraient être stockés dans les superstructures et libérés dans le corps à la demande au fur et à mesure que les structures hiérarchiques disparaissent. Scientists could also search for new materials in which the reversible superstructures lead to changes in electronic, optical or mechanical properties, or even color and light emission, Stupp said.

"Now that we know this is possible, other scientists can use their imagination and design new molecules in search of these new 'dynamic' materials that reorganize internally on demand to change properties, " il a dit.

The new materials also led the researchers to a biological discovery. They took astrocytes—cells in the brain and spinal cord associated with neurons—and placed them on the new materials. Astrocytes are important because when the brain or the spinal cord are injured or diseased, they acquire a specific shape known as the "reactive phenotype" and produce scars that are dense fibrous networks. In the healthy brain, astrocytes have a "naïve phenotype" and a different shape.

De façon intéressante, when the researchers placed astrocytes on the material with only simple filaments, the astrocytes had a naïve phenotype, but when the superstructures formed they became reactive. They then reverted back to the naïve phenotype when the hierarchical structure disassembled. This discovery linked the architecture of the cell's microenvironment to these critical changes of phenotype in injury and disease of the central nervous system.

Biologists recently discovered that it was possible to revert these reactive astrocytes to their naïve state by transplanting them into healthy subjects who do not have injuries, but Stupp and his collaborators found the new material triggers these phenotype transformations in brain cells.

"The cell responded to the structure of the material in its environment, " Stupp said. "It gives us new ideas on how to undo the scars in injured or diseased brain and spinal cord."